1
2
3
PROJEKT PLNICÍHO ZAŘÍZENÍ CNG
Anotace
Tato diplomová práce se zabývá plněním nádrží vozidel do 3,5 tuny stlačeným zemním plynem. V první části práce jsou popsány možnosti plnění vozidel tímto palivem, současný stav v České republice a stručně shrnuty výhody a nevýhody provozu vozidel na stlačený zemní plyn. Ve druhé části byl zpracován projekt plnicího zařízení pro plynárenskou společnost včetně konstrukčního návrhu jednostupňového kompresoru o výkonu 16 Nm3/h, přičemž tlak plynu na vstupu je netradičně 5,5 MPa a na výstupu 30 MPa. V poslední části této diplomové práce je zpracována výměna vozidel poháněných klasickými pohonnými hmotami za vozidla na stlačený zemní plyn a vyhodnocena ekonomická, ekologická a praktická výhodnost této výměny.
Klíčová slova: stlačený zemní plyn, CNG, plnicí zařízení, plnicí stanice, vysokotlaký kompresor, výměna vozového parku
PROJECT OF CNG FILLING EQUIPMENT
Annotation
This diploma thesis is about filling fuel tanks of vehicles under 3,5 tons by compressed natural gas. In the beginning there is a few possibilities, how we can fill fuel tanks of vehicles by this fuel, actual situation in Czech Republic and shortly summarization of advantages and disadvantages of compressed natural gas fuelled vehicles. In the second part was made a project of filling equipment for a gas company, which contains construction of single-stage compressor. Compressor has flow 16 Nm3 per hour and inlet pressure is unusual 5,5 MPa, outlet pressure is 30 MPa. In the end of the diploma thesis, there is a replacement of petrol and diesel fuelled vehicles by compressed natural gas fuelled vehicles and there is an evaluation of this step from the point of view of economy, ecology and functionality.
Key words: compressed natural gas, CNG, filling equipment, filling station, high-pressure compressor, exchange of vehicles
4
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
V Liberci dne ……… ………
podpis
5
Poděkování
Děkuji vedoucímu diplomové práce, Doc. Ing. Josefu Laurinovi, CSc. z Katedry vozidel a motorů na Technické univerzitě v Liberci, a konzultantovi, Ing. Miroslavu Čepickému z Aquacentra Praha s.r.o., za cenné informace a připomínky, které mi poskytli během zpracování mé diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat všem, kteří svou pomocí, podporou, názorem či radou přispěli k vytvoření této práce. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat celé své rodině za trpělivost a podporu při studiu.
V Liberci dne ………
Mirko Šída
6 Seznam symbolů a jednotek
a vzdálenost mezi ložiskem A a B [m]
a1 vzdálenost mezi oky pístu [m]
b vzdálenost mezi silou zatěžující ložiska a ložiskem B [m]
b šířka profilu dříku ojnice [m]
b šířka oka ojničního čepu [m]
c střední pístová rychlost [m/s]
da vnější průměr pístního čepu [m]
dh průměr hřídele [m]
dmin minimální průměr hřídele [m]
di vnitřní průměr pístního čepu [m]
h výška profilu dříku ojnice [m]
h výška pístu [m]
h1kr vzdálenost prvního pístního kroužku ode dna pístu [m]
hk vzdálenost osy pístního čepu ode dna pístu [m]
k součinitel bezpečnosti [-]
lČ délka pístního čepu [m]
le délka pro výpočet maximálního ohybového momentu [m]
lO délka ojnice [m]
lP délka pera [m]
lPmin minimální délka pera [m]
m hmotnost [kg]
n otáčky [1/min]
n polytropický exponent [Pa]
p exponent rovnice trvanlivosti [-]
p1 tlak mezi pístním čepem a ojničním okem [Pa]
pd dovolený tlak v drážce pro pero [Pa]
pd1 dovolený tlak mezi pístním čepem a ojničním okem [Pa]
pd2 dovolený tlak mezi pístním čepem a oky pístu [Pa]
pref referenční tlak [Pa]
ps tlak v sacím hrdle [Pa]
pv tlak ve výtlačném hrdle [Pa]
7
r měrná plynová konstanta [J/kg·K]
r poloměr kliky [m]
t1 výška drážky pro pero v náboji [m]
B šířka dříku ojnice [m]
C základní dynamická únosnost ložiska [N]
D průměr pracovního pístu [m]
DV průměr vodicího pístu [m]
F síla působící na píst [N]
Fmax maximální síla zatěžující píst [N]
Fr radiální síla působící na ložiska [N]
H výška dříku ojnice [m]
Jx kvadratický moment průřezu k ose x [m4]
Jy kvadratický moment průřezu k ose y [m4]
L zdvih pístu [m]
Lh10 trvanlivost ložiska [h]
Mk krouticí moment [Nm]
MOmax maximální ohybový moment [Nm]
P ekvivalentní dynamické zatížení [N]
Pteor teoretický příkon [W]
Pmot potřebný výkon elektromotoru [W]
Pskut skutečný výkon elektromotoru [W]
RA reakční síla v místě ložiska A [N]
RB reakční síla v místě ložiska B [N]
Re mez kluzu v tahu [Pa]
Rm mez pevnosti v tahu [Pa]
S plocha pístu [m2]
T referenční teplota [K]
TS teplota nasávaného zemního plynu [K]
TV konečná teplota po stlačení zemního plynu [K]
VS objem skutečně nasátého plynu [m3]
VŠ objem škodlivého prostoru [m3]
VZ zdvihový objem [m3]
V objemový průtok [m3/h]
8
V objemový průtok za normálních podmínek [Nm3/h]
V skutečný objemový průtok [m3/h]
WO průřezový modul pístního čepu v ohybu [m3]
Wpol práce při polytropickém stlačení [J]
poměrná velikost škodlivého prostoru [-]
poměr zdvihu a průměru pístu [-]
η dopravní účinnost [-]
η mechanická účinnost [-]
η objemová účinnost [-]
κ Poissonova konstanta [-]
λx štíhlostní poměr ojnice v rovině kolmé na rovinu kyvu [-]
λy štíhlostní poměr ojnice v rovině kyvu [-]
kompresní poměr [-]
Ludolfovo číslo [-]
σ dovolené napětí dříku ojnice v tlaku [Pa]
σ napětí dříku ojnice v tlaku [Pa]
σ napětí v ohybu [Pa]
σ dovolené napětí v ohybu [Pa]
dovolené napětí v krutu [Pa]
9
Obsah
1 ÚVOD ... 10
2 PLNĚNÍ NÁDRŽÍ VOZIDEL PALIVEM CNG ... 12
2.1 ZEMNÍ PLYN ... 12
2.2 DRUHY PLNĚNÍ NÁDRŽÍ VOZIDEL PALIVEM CNG ... 13
2.3 PLNICÍ ZAŘÍZENÍ NA ČESKÉM TRHU ... 15
2.4 PLNICÍ STANICE V ČESKÉ REPUBLICE ... 18
2.5 ZHODNOCENÍ PROVOZU VOZIDEL NA PALIVO CNG ... 19
3 PLNICÍ ZAŘÍZENÍ CNG ... 21
3.1 ZÁKLADNÍ PARAMETRY KOMPRESORU ... 21
3.2 NÁVRH A KONTROLA JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KOMPRESORU ... 26
3.3 PŘÍSLUŠENSTVÍ KOMPRESORU ... 34
3.4 NAVRŽENÝ KOMPRESOR ... 35
3.5 NÁVRH PLNICÍHO ZAŘÍZENÍ CNG ... 36
4 NÁHRADA VOZOVÉHO PARKU ... 38
4.1 SÉRIOVĚ VYRÁBĚNÁ VOZIDLA POHÁNĚNÁ CNG DOSTUPNÁ NA ČESKÉM TRHU ... 38
4.2 VÝMĚNA VOZOVÉHO PARKU PLYNÁRENSKÉ SPOLEČNOSTI ... 51
5 ZÁVĚR ... 56
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ... 58
SEZNAM OBRÁZKŮ ... 61
SEZNAM TABULEK ... 62
SEZNAM PŘÍLOH ... 63
10
1 ÚVOD
Automobil se za 130 let své existence postupně stal nedílnou součástí našeho světa a dnešní dobu si bez něj již prakticky neumíme představit. Spalovací motory, kterými je dodnes převážná většina automobilů poháněna, si prošly dlouhou cestou vývoje a modernizací, čímž se dostaly až na samou hranici fyzikálních možností. V současné době však stále více a více řešíme otázku, jakými palivy budou tyto motory v budoucnu poháněny, protože ropa patří mezi fosilní paliva a předpokládá se, že jednoho dne zdroje ropy již nebudou stačit našim potřebám a dojde k jejich vyčerpání. Lidstvo tím pádem přijde o možnost vyrábět benzín a motorovou naftu a bude si muset najít jinou cestu. Z tohoto důvodu a ze stále většího tlaku nadřízených orgánů na ekologii provozu vozidel se již nyní snaží výrobci vozidel začleňovat do svých programů různá alternativní paliva, mezi která patří bionafta, bioetanol, biometanol, LPG, bioplyn, biovodík a v neposlední řadě i zemní plyn.
Zemní plyn sice také patří mezi fosilní paliva, předpokládá se však, že jeho zásoby jsou ještě dostatečně velké a vystačí na mnohem delší dobu než ropa. Kromě toho je zemní plyn považován i za ekologické palivo a z tohoto důvodu se s ním počítá jako s jedním z možných paliv budoucnosti.
Cílem této diplomové práce je v první fázi rešerše způsobů a možností plnění vozidel o celkové hmotnosti do 3,5 t stlačeným zemním plynem, objektivní shrnutí výhod a nevýhod provozování motorových vozidel na toto palivo a porovnání s tradičními kapalnými palivy.
V další části této diplomové práce by mělo dojít k vypracování projektu plnicího zařízení CNG pro vozidla plynárenské společnosti o celkové hmotnosti do 3,5 t. Součástí tohoto úkolu je i konstrukční návrh kompresoru pro stlačování zemního plynu, který je hlavní součástí celého plnicího zařízení. Výhodou plynárenské společnosti je fakt, že kompresor je možné připojit na vysokotlaké potrubí a využít tak minimálního vstupního tlaku do kompresoru 5,5 MPa, čímž by se měla snížit energetická náročnost při stlačování zemního plynu. Požadovaný tlak na výstupu z kompresoru je 30 MPa. Tímto by se nově navržený kompresor měl lišit od dnes standardně nabízených kompresorů, které bez výjimky stlačují zemní plyn z normálního atmosférického tlaku, a z tohoto důvodu bývají zpravidla tří až čtyřstupňové. U konvenčních plnicích zařízení, pokud jsou připojeny na dopravní potrubí
11
s vyšším než atmosférickým tlakem, dochází nejprve k redukci tlaku a následnému stlačování na požadovaný výstupní tlak, což není energeticky právě nejpříznivější.
Posledním cílem této diplomové práce je zhodnocení projektu v případě nahrazení vozidel plynárenské společnosti či motorovou naftu vozidly na stlačený zemní plyn. V této části bych rád provedl porovnání vozidel na jednotlivá paliva ať už z hlediska ekonomického (pořizovací cena vozidel, náklady na jeden ujetý kilometr apod.), z hlediska ekologického (např. snížení produkce výfukových škodlivin), ale i z hlediska praktického využití těchto vozidel na různá paliva (např. maximální dojezd).
12
2 PLNĚNÍ NÁDRŽÍ VOZIDEL PALIVEM CNG 2.1 ZEMNÍ PLYN
Zemní plyn je bezbarvý, nejedovatý, nedýchatelný, sám o sobě nezapáchající, vysoce výhřevný přírodní plyn, který je složen převážně z plynných uhlovodíků a malého množství příměsí nehořlavých složek (především dusík a oxid uhličitý). Hlavní složkou zemního plynu je metan, jeho obsah v plynu z různých míst těžby je v rozmezí od 80 % do 99 %. Do České republiky je přiváděn ruský plyn s obsahem přibližně 98 % metanu, norský plyn obsahuje asi 85 % metanu. Zemní plyn patří mezi tzv. topné plyny a hojně se využívá k vytápění, ohřevu vody, výrobě elektrické energie, v kogeneračních jednotkách a v neposlední řadě i jako pohon motorových vozidel. Zemní plyn je fosilním palivem, oproti ostatním palivům této kategorie má však obrovskou výhodu ve výrazně menším množství uvolněných škodlivin vzniklých při spalování. Jako palivo pro vozidla se využívá ve dvou formách - jako zkapalněný zemní plyn při teplotě -162 °C, který bývá označován LNG (Liquified Natural Gas), nebo jako stlačený zemní plyn při tlaku až 30 MPa, který bývá označován CNG (Compressed Natural Gas).
složení zemního plynu vlastnosti zemního plynu
CH4 98,0 % výhřevnost 34,08 MJ/m3
vyšší uhlovodíky 1,16 % spalné teplo 37,82 MJ/m3
CO2 0,05 % hustota 0,69 kg/m3
N2 0,79 % meze výbušnosti 5 – 15 %
S 0,20 mg/m3 zápalná teplota 650 °C
teplota plamene 1957 °C
Tab. 1 Složení zemního plynu [1], vlastnosti zemního plynu [2]
Oproti klasickým palivům má zemní plyn značnou ekologickou výhodu. Díky jeho složení se při spalování uvolňuje menší množství škodlivých oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, ale dochází i ke snížení emisí oxidu uhličitého a ke snížení množství nebezpečných karcinogenních látek (polyaromatické uhlovodíky, aldehydy apod.). Dalším ekologickým pozitivem zemního plynu je, že do něj nejsou přidávána žádná aditiva a při jeho spalování prakticky nevzniká oxid siřičitý. Při plnění nádrží též nedochází k odparům paliva, ani ke kontaminaci půdy, jak tomu může být při ukápnutí klasického kapalného paliva. Zápalná teplota zemního plynu je více než dvojnásobná než u klasických paliv, což výrazně zvyšuje
13
jeho provozní bezpečnost. Z důvodu nízké teploty tuhnutí má zemní plyn, zejména oproti naftě, výhodu v lepším startování motoru za nízkých teplot. Předností zemního plynu je i fakt, že jej není možné z nádrže ukrást.
benzín nafta LPG zemní plyn
oktanové číslo [-] 91 až 98 - 100 -110 128
cetanové číslo [-] - 51 až 55 - -
teplota vzplanutí [°C] -20 55 - -
teplota hoření [°C] -20 80 - -
teplota vznícení [°C] 260 250 430 537
teplota varu [°C] 30 až 210 150 až 370 -42 až 0 -162
teplota tuhnutí [°C] -40 0 -40 -182
hustota při 15 °C [kg/m3] 725 až 775 820 až 845 502 až 579 0.678 mez výbušnosti (směs se vzduchem) [-] 0,6 až 8 0,5 až 6,6 1,5 až 11 4,4 až 15
Tab. 2 Porovnání vlastností jednotlivých paliv [3]
2.2 DRUHY PLNĚNÍ NÁDRŽÍ VOZIDEL PALIVEM CNG
Pro plnění nádrží vozidel palivem CNG se rozlišují dvě metody. Podle rychlosti plnicího procesu se jedná buď o pomalé plnění plnicím zařízením, kdy proces probíhá po dobu několika hodin, nebo o rychlé plnění na plnicích stanicích, kde jsme schopni natankovat celou nádrž automobilu v rozmezí několika málo minut stejně, jako je tomu na klasických čerpacích stanicích.
Pomalé plnění lze využít jak pro osobní účely, kdy má řidič plnicí zařízení nainstalované doma v garáži, připojené na plynovod a přes noc nechává doplňovat nádrže automobilu, ale taktéž se hojně využívá u firem s větším počtem vozidel, kde všechna vozidla parkují na jednom místě a v době jejich nečinnosti je možné dotankovat jejich nádrže. Často je tento způsob plnění používám i pro specializovaná vozidla např. vysokozdvižné vozíky.
Z důvodu pomalejšího plnění, převážně v noci, je u tohoto způsobu plnění výhodné používat vozidla s co možná největším objemem nádrží. Hlavní součástí pomalu plnicího zařízení je kompresor, který bývá zpravidla připojen přímo na plynovod a kterým je plněna přímo tlaková nádoba ve vozidle. V některých případech bývá za kompresorem umístěna malá
14
vyrovnávací nádoba, která slouží k tomu, aby nedocházelo ke zbytečnému vypínání a zapínání kompresoru. Před kompresorem může být umístěna sušička plynu a filtr. Tato zařízení pro pomalé plnění mívají zpravidla výkon do 20 m3/hod. Doba plnění závisí na počtu připojených vozidel, velikosti kompresoru a na velikosti vyrovnávací nádoby, většinou však doba k naplnění celé nádrže bývá několik hodin. Výhodou těchto zařízení je jednoduchá instalace, snadná obsluha, plně automatický provoz (po naplnění nádrže se zařízení automaticky vypíná), a v neposlední řadě i ekonomické úspory v souvislosti s možností rozhodnutí, kdy bude docházet k plnění (provoz na noční proud). Pro mnoho lidí může být i značnou výhodou nezávislost na veřejných stanicích na CNG, případně jistota, že každý den mohou vyjet s plnou nádrží. Nevýhodou těchto plniček je vyšší pořizovací cena a pro některé aplikace se nehodí z důvodu pomalého plnění.
Obr. 1 Zařízení pro pomalé plnění vozidel palivem CNG [4]
Druhou metodou plnění nádrží vozidel stlačeným zemním plynem je rychlé plnění pomocí plnicích stanic. Tato metoda je vhodná všude tam, kde dochází k nahodilému, nepředpokládatelnému příjezdu vozidel a je žádoucí co možná nejrychlejší dotankování jejich prázdných nádrží. Většinou tyto stanice bývají součástí čerpacích stanic na klasické pohonné hmoty, natankování plné nádrže stlačeným zemním plynem trvá maximálně do 5 minut, což zhruba odpovídá době strávené tankováním benzínu nebo nafty. Zemní plyn z plynovodní přípojky se nejprve zbavuje možného kondenzátu a případných nečistot v sušičce a následně je kompresorem, zpravidla ve třech až čtyřech stupních, komprimován na tlak až 30 MPa.
Stlačený plyn potom putuje do tlakových zásobníků, kde je připraven pro okamžité doplnění vozidla. Pro samotné plnění vozidel se využívá především moderních samoobslužných
15
výdejních stojanů na registrovanou kartu nebo čip, konektor hadice výdejního stojanu se rychloupínací spojkou připojí na plnicí ventil vozidla a dochází k plnění nádrže vozidla na daný provozní tlak 20 – 22 MPa.
Obr. 2 Zařízení pro rychlé plnění vozidel palivem CNG [4]
2.3 PLNICÍ ZAŘÍZENÍ NA ČESKÉM TRHU
V současnosti jsou na českém trhu k dispozici tři značky plnicích zařízení CNG, jedná se o domácí Motor Jikov a dále o výrobky italských výrobců Coltri a BRC Fuelmaker.
Motor Jikov má ve svém portfoliu různá plnicí zařízení s výkonem 5, 10, 15 a 20 Nm3/hod, přičemž vyšší varianty těchto zařízení jsou netradičně vybaveny i zásobníky stlačeného zemního plynu pro potřeby rychlého plnění. Základem všech těchto zařízení jsou jeden až čtyři třístupňové, olejem mazané, kompresory o výkonu minimálně 5 Nm3/hod a maximálním plnicím tlakem 20 MPa při 15 °C. Naplnění 80 l tlakové láhve ve vozidle (při tlaku 20 MPa přibližně 11,5 kg CNG) pomocí nejméně výkonného plnicího zařízení MJ Compact 05, které obsahuje jeden kompresor, trvá maximálně 3 hodiny.
16
Obr. 3 Plnicí zařízení MJ Compact 05 od firmy Motor Jikov [8]
Italská firma Coltri nabízí pět základních typů plnicích zařízení – s plnicím výkonem 5, 10, 14, 20 a 24 Nm3/hod. Jejich kompresory jsou tří nebo čtyřstupňové a lze je koupit buď ve variantě s plnicím tlakem 20 MPa, nebo 25 MPa. Naplnění 80 l tlakové láhve trvá u zařízení s nejmenším výkonem přibližně 3 hodiny, u největšího plnicího zařízení, s výkonem 24 Nm3/hod, je to již pouze 37 minut.
Obr. 4 Plnicí zařízení firmy Coltri MCH20-24 [9]
BRC Fuelmaker je rovněž italská firma, jejíž výrobky jsou distribuovány na českém trhu. V její nabídce se vyskytují tři plnicí zařízená – jedno plnicí zařízení pro domácí využití, s výkonem pouhých 1,4 Nm3/hod, a dvě spíše pro využití firemní, menší o výkonu 2,8 Nm3/hod a větší o výkonu 11,4 Nm3/hod. Plnicí zařízení od BRC Fuelmaker se od ostatních konkurentů liší především ve větším rozsahu provozních teplot, když jejich výrobky je možné použít již od -40 °C.
17
Obr. 5 Plnicí zařízení firmy BRC Fuelmaker pro domácí použití [10]
Motor Jikov Coltri
MJ Compact 05 MCH5 MCH10 MCH14
počet stupňů 3 3 3 3
maximální plnicí tlak 20 MPa při 15 °C 20 nebo 25 MPa 20 nebo 25 MPa 20 nebo 25 MPa vstupní tlak plynu 0,001 – 0,03 MPa 0,0017 – 0,02 MPa 0,0017 – 0,02 MPa 0,0017 – 0,02 MPa rozsah provozních teplot -15 °C až 50 °C od -15 °C od -15 °C od -15 °C
nominální výkon 5 Nm3/h při 15 °C 5 Nm3/h 10 Nm3/h 14 Nm3/h
elektromotor 2,2 kW 3 kW 4 kW 5,5 kW
Coltri BRC Fuelmaker
MCH20 MCH24 Phill FMQ 2.5 FMQ 10
4 4 - - -
20 nebo 25 MPa 20 nebo 25 MPa 20,7 MPa 20,7 MPa 20,7 MPa
0,0017 – 0,03 MPa 0,0017 – 0,03 MPa 0,0017 – 0,0035 MPa 0,0017 – 0,0035 MPa 0,0018 – 0,01 MPa
- - -40 °C až 45 °C -40 °C až 45 °C -40 °C až 45 °C
20 Nm3/h 24 Nm3/h 1,4 Nm3/h 2,8 Nm3/h 11,4 Nm3/h
9 kW nebo 11 kW 9 kW nebo 11 kW - - -
Tab. 3 Porovnání základních parametrů plnicích stanic od jednotlivých výrobců [8],[9], [10]
18
2.4 PLNICÍ STANICE V ČESKÉ REPUBLICE
Za posledních 10 let se počet veřejných plnicích stanic CNG v České republice více než zdevítinásobil. Ještě v roce 2005 jich na našem území bylo pouze 9, k dubnu 2015 je v České republice v provozu již 84 veřejných plnicích stanic CNG a další tři, ve Zdibech, v Plzni a v Příbrami, jsou ve výstavbovém plánu. Nejvíce plnicích stanic je v současné době ve Středočeském kraji (13), který je následován Prahou (10) a Moravskoslezským krajem (9), naopak poslední místo zaujímá Karlovarský kraj s pouhými dvěma plnicími stanicemi [5].
kraj počet plnicích stanic CNG Královéhradecký 6
Praha 10 Pardubický 4
Středočeský 13 Vysočina 5
Jihočeský 5 Jihomoravský 8
Plzeňský 4 Zlínský 4
Karlovarský 2 Olomoucký 7
Ústecký 4 Moravskoslezský 9
Liberecký 3 celkem 84
Tab. 4 Počet plnicích stanic CNG v jednotlivých krajích ČR k dubnu 2015 [5]
Počet vozidel na CNG se oproti tomu za posledních 10 let zvýšil téměř dvacetinásobně (v roce 2005 jich bylo v ČR evidováno 450, k prvnímu čtvrtletí 2015 je jich 8817) [5].
Dochází tak k situaci, že současná infrastruktura plnicích stanic CNG nevyhovuje a dochází k masové výstavbě dalších. Podle Jiřího Šimka, místopředsedy Rady Českého plynárenského svazu, bude v České republice ke konci roku 2016 v provozu 150 – 160 plnicích stanic, přičemž optimální počet pro naše území je mezi 200 až 300 plnicími stanicemi CNG [6].
Obr. 6 Mapa plnicích stanic CNG na území České republiky [7]
19
2.5 ZHODNOCENÍ PROVOZU VOZIDEL NA PALIVO CNG
Provozování vozidel na stlačený zemní plyn má mnoho výhod, pro které má smysl tento druh paliva používat, ale má, stejně jako každé jiné palivo, také své stinné stránky, pro něž se nemusí hodit úplně pro každé vozidlo nebo pro každou aplikaci. Záleží potom na každém provozovateli, zdali pro jeho jasně definované potřeby převáží pozitiva stlačeného zemního plynu nad negativy, či nikoliv.
Stlačený zemní plyn je kvalitní motorové palivo, které má vysoké oktanové číslo.
Důsledkem toho jsou motory na toto palivo schopné dosahovat vysokých výkonů a obvykle mívají tišší chod než motory na klasická paliva. Díky svým vlastnostem je další předností CNG i lepší startování za nízkých teplot.
Obrovská výhoda vozidel na stlačený zemní plyn se skrývá v oblasti ekologie. Jedná se o čisté palivo, které je příznivé pro životní prostředí a v současné době nemá problém s nařízenými emisními limity. Vozidla provozovaná na stlačený zemní plyn mají oproti vozidlům na klasická kapalná paliva taktéž nižší emise oxidu uhličitého i pevných částic, které pro lidský organizmus bývají nejvíce nebezpečné. Při tankování CNG potom nemůže dojít k žádným odparům do okolního prostředí, ani k ukápnutí paliva, které by mohlo vést ke kontaminaci půdy.
Další velmi diskutovanou věcí je bezpečnost provozování vozidel na CNG. I v dnešní době má stále mnoho lidí k bezpečnosti stlačeného zemního plynu ve vozidlech předsudky a příliš jim nedůvěřují. Bezpečnost CNG však vyplývá už z jeho fyzikálních vlastností.
Stlačený zemní plyn je lehčí než vzduch a na rozdíl od klasických kapalných paliv tak může být v případě poruchy vypuštěn přetlakovým ventilem do okolní atmosféry a nezůstane pod vozidlem. Obavy z možnosti jeho vznícení také nejsou na místě, protože proti benzínu a naftě má zápalnou teplotu více než dvojnásobnou. Bezpečnosti vozů na CNG je výrobci vozidel z důvodu vysokých pracovních tlaků obecně věnována výjimečná pozornost a pokud máme vozidlo přímo od výrobce (nikoliv dodatečně přestavované), jeho bezpečnost je vyšší než u automobilů na benzín, naftu, nebo LPG.
20
Poslední výhodou stlačeného zemního plynu je jeho ekonomická výhodnost. Náklady na pořízení 1 m3 CNG, který svou energií zhruba odpovídá 1 l benzínu, jsou mnohem nižší, což je v současné době dáno i velmi nízkou sazbou spotřební daně, která je až do roku 2020 státem garantovaná. Stlačený zemní plyn je také z nádrže automobilu prakticky nezcizitelný.
Nevýhodou vozidel na stlačený zemní plyn je jejich pořizovací cena, která je oproti automobilům s podobným výkonem na klasická paliva v drtivé většině případů o několik desítek tisíc korun vyšší. Některá vozidla potom mají menší objem zavazadlového prostoru a není možné do nich umístit plnohodnotné rezervní kolo. V některých případech může být negativem i větší hmotnost vozidla, s čímž souvisí o trochu horší dynamické vlastnosti automobilu, rozdíl však není příliš markantní.
Další nevýhodou je menší dojezd automobilů na CNG, což příliš neocení provozovatelé vozidel, kteří jezdí na delší vzdálenosti a své cesty by si tak museli plánovat s ohledem na plnicí stanice, což není zrovna praktické. S tím se pojí i problém zatím stále ještě nedostatečné struktury plnicích stanic, kdy se výhody provozu vozidel na CNG mohou ztrácet v podobě vysoké vzdálenosti dojíždění pro toto palivo. Tento nedostatek by však v České republice měl být výstavbou několika desítek dalších plnicích stanic v několika příštích letech odstraněn.
Poměrně velikou nevýhodou vozidel na stlačený zemní plyn jsou možnosti jejich parkování. V současné době mají vozidla do hromadných garáží pro veřejné užívání sice vjezd povolen, ale musí s tím souhlasit majitelé samotných garáží, což v mnohých případech může být a bývá problém. Garáže musí splňovat vyhláškou dané technické normy jako např.
dostatečné odvětrávání prostor parkoviště, instalované detektory úniku plynu, což navyšuje náklady ne jejich výstavbu a ne každý investor je ochoten tyto vyšší náklady akceptovat.
Určité riziko se v budoucnu může ukrývat i ve zvýšení sazby spotřební daně pro CNG, čímž by mohlo dojít k určitému vyrovnání cen za benzín, naftu a CNG a tím k mnohem delší návratnosti investice do vozidla na zemní plyn. Do budoucna se však předpokládá, že zásoby ropy budou klesat, a proto ceny benzínu a nafty budou narůstat. Zemního plynu by do budoucna mělo být dostatek a tak by k výraznému zdražení dojít nemělo.
21
3 PLNICÍ ZAŘÍZENÍ CNG
3.1 ZÁKLADNÍ PARAMETRY KOMPRESORU
S ohledem na mnoholeté zkušenosti firmy Aquacentrum Praha s.r.o. s konstrukcí a výrobou kompresorů pro stlačování zemního plynu byl jako základní koncept nově navrhovaného kompresoru zvolen jednočinný, jednoválcový kompresor poháněný patkopřírubovým elektromotorem. Dále bylo rozhodnuto, že kompresor bude obsahovat dva písty – jeden pracovní, pravděpodobně poměrně malého průměru, který bude sloužit k samotnému stlačování zemního plynu, a druhý vodicí, který bude mít za úkol pracovním pístem pohybovat.
Zadané parametry kompresoru:
p = 5,5 MPa p= 30 MPa V = 16 Nm,/h
Kompresní poměr:
/ =001
2 = 4,4,3 = 5, 65
Konečná kompresní teplota:
Teplota nasávaného zemního plynu TS zvolena 20 °C = 293,15 K. Polytropický exponent n se u pístových kompresorů pohybuje v mezích 1 < n < κ. Pro zemní plyn κ = 1,31
polytropický exponent n zvolen 1,15.
p ∙ V 8 = p∙ V8
p ∙ V = m ∙ r ∙ T V = ∙∙:02 2 p∙ V = m ∙ r ∙ T V =∙∙:011
22
:1
:2 = ;001<=
>?@
@
AB = T ∙ ;0012=
@?>
@ = 293,15 ∙ ;4,4,3=
>,>E?>
>,>E = FGG H
Objemová účinnost:
Poměrná velikost škodlivého prostoru bývá u dobře navržených a provedených kompresorů ≤ 5 % zvoleno 5 % = 0,05.
IB= 1 − ε ∙ L;001
2=
>
@− 1M = 1 − 0,05 ∙ L;4,4,3=
>
>,>E− 1M = N, OFP6 = OF, P6 %
Dopravní účinnost:
Obvykle bývá dopravní účinnost o 4 ÷ 6 % menší než účinnost objemová zvoleno snížení dopravní účinnosti o 5 %.
IS= η− 0,05 = 0,8314 − 0,05 = N, VOP6 = VO, P6 %
Přepočet objemového průtoku za normálních podmínek na podmínky při sání:
Plyn s teplotou a tlakem mění svůj objem a z tohoto důvodu je nutné přepočítat zadaný objemový průtok za normálních podmínek na podmínky při sání (tlak 5,5 MPa, teplota 20 °C). Přepočet se nejčastěji provádí pomocí některé z těchto norem:
• norma DIN 1343, kde je referenční teplota 0 °C a referenční tlak 101 325 Pa
• norma ISO 2533, kde je referenční teplota 15 °C a referenční tlak 101 325 Pa
23 Pro přepočet použiji normu DIN 1343:
V = V ∙ ;00WXY
2 = ∙ ;::2
WXY=
B = 16 ∙ ;4 433 333Z3Z ,[4 = ∙ ;[\,,Z4[],,Z4= = 0,316 m,∙ h^Z= 5, _V ∙ PN^F `F/`ab
Průměr pracovního pístu:
Pro jednoválcový jednočinný kompresor platí rovnice:
V = S ∙ L ∙ n ∙ η [m,/min]
Pro výpočet průměru pracovního pístu volíme otáčky kompresoru n = 1425 min-1 a poměr zdvihu a průměru pístu ϑ =g = 3,2:
V =hi∙ D, ∙ ϑ ∙ n ∙ η [m,/min]
k = ln∙o∙p∙qi∙m
r
s = ln∙,,[∙Zi[4∙3,]tZii∙4,[] ∙Z3?s
s = 12,3 ∙ 10^,m = 12,3 mm
průměr pracovního pístu zvolen 12,5 mm
Skutečný objemový průtok:
V =hi∙ D,∙ ϑ ∙ n ∙ η= hi∙ 0,0125, ∙ 3,2 ∙ 1425 ∙ 0,7814 B vwxy = 5, 6V ∙ PN^F `F/`ab
Zdvih pístu:
z = ϑ ∙ D = 3,2 ∙ 0,0125 = 0,04 m = 6N ``
24 Střední pístová rychlost:
{v =g∙8,3 =3,3i∙Zi[4,3 = P, | `/v
Síla působící na pracovní píst:
} = p∙ S = p∙h∙i~ = 30 000 000 ∙h∙3,3Z[4i ~= FGO_
Zdvihový objem:
B = h∙i~∙ L =h∙3,3Z[4i ~∙ 0,04 = 4,91 ∙ 10^ m, = 6, |P {`F
Objem škodlivého prostoru:
BN = ε ∙ V= 0,05 ∙ 4,91 ∙ 10^= 2,46 ∙ 10^] m, = N, _6G {`F
Skutečně nasátý objem plynu:
B = η· V = 0,8314 ∙ 4,91 ∙ 10^= 4,08 ∙ 10^ m, = 6, NO {`F Jednotlivé objemy:
Obr. 7 Tlakový diagram kompresoru se škodlivým prostorem (bez průtokových odporů) [1]
25
BP = V3+ V = 2,46 ∙ 10^]+ 4,91 ∙ 10^= 5,16 ∙ 10^ m, = 5, PG {`F pZ∙ VZ8 = p[∙ V[8
B_ = VZ∙ ;00>
~=>@ = 5,16 ∙ 10^∙ ;,3 333 3334 433 333=
>,>E>
= 1,18 ∙ 10^ m, = P, PO {`F
BF = V3 = 2,46 ∙ 10^] m, = N, _6G {`F
B6 = VZ− V = 5,16 ∙ 10^− 4,08 ∙ 10^= 1,08 ∙ 10^ m, = P, NO {`F Celková práce kompresoru při polytropickém stlačení:
W0 = −8^Z8 ∙ pZ∙ V ∙ L;00~
>=
@?>
@ − 1M
W0 = −Z,Z4^ZZ,Z4 ∙ 5 500 000 ∙ 4,91 ∙ 10^∙ ;,3 333 3334 433 333=
>,>E?>
>,>E
− 1
= − 5P, _O Teoretický příkon kompresoru:
P = 8^Z8 ∙ pZ∙ <3 ∙ L;00~
>=@?>@ − 1M
P = Z,Z4^ZZ,Z4 ∙ 5 500 000 ∙4,i]∙Z33 ?s∙ ;,3 333 3334 433 333=
>,>E?>
>,>E
− 1
y = |5_
26 Potřebný výkon elektromotoru:
Mechanická účinnost kompresoru ηm se dle zkušeností odhaduje v rozmezí hodnot od 0,85 (pro rychloběžné malé kompresory s vysokým kompresním poměrem) po 0,96 (velké kompresory s nízkým kompresním poměrem) zvolena mechanická účinnost ηm = 0,90.
Výkon elektromotoru z důvodu možné změny sacích i výtlačných poměrů a oblasti účinnosti motoru zpravidla volíme o 15 % větší než spočítaný teoretický příkon.
`y = 1,15 ∙qXW
= 1,15 ∙3,\3\4[ = P_PG
s ohledem na zkušenosti firmy Aquacentrum Praha zvolen patkopřírubový elektromotor s výkonovou rezervou: SIEMENS 1LE1002-1AB52-2JA4, 3 kW, 1425 ot. [11]
3.2 NÁVRH A KONTROLA JEDNOTLIVÝCH ČÁSTÍ KOMPRESORU
Poloměr kliky:
= g[= 3,3i[ = 0,02 m = _N ``
Hlavní rozměry vodicího pístu:
Průměr vodícího pístu zvolen 56 mm DV = 56 mm, materiál pístu: hliníková slitina na odlitky 42 4336
Výška pístu u kompresorů obvykle volena jako 0,8 ÷ 1 násobek průměru válce zvolen 1 násobek:
= 1 ∙ D= 1 ∙ 0,056 = 0,056 m = 5G ``
27
Vzdálenost osy pístního čepu ode dna pístu obvykle volena jako 0,5 ÷ 0,6 násobek výšky pístu zvolen 0,6 násobek:
w = 0,6 ∙ h = 0,6 ∙ 0,056 = 0,0336 m = FF, G ``
Vzdálenost prvního pístního kroužku ode dna pístu se obvykle volí jako 0,1 ÷ 0,2 násobek průměru pístu zvolen 0,1 násobek:
Pw = 0,1 ∙ D= 0,1 ∙ 0,056 = 0,0056 m = 5, G ``
Rozměry pístního čepu:
Vnější průměr pístního čepu obvykle volen jako 0,18 ÷ 0,2 násobek průměru pístu zvolen 0,2 násobek:
S = 0,2 ∙ D = 0,2 ∙ 0,056 = 0,0112 m = 11,2 mm
vnější průměr pístního čepu zvolen 14 mm (normalizovaná hodnota)
Vnitřní průměr pístního čepu obvykle volen jako 0,55 ÷ 0,75 násobek průměru pístu zvolen 0,55 násobek:
Sa = 0,55 ∙ d = 0,55 ∙ 0,014 = 0,0077 m = 7,7 mm vnitřní průměr pístního čepu zaokrouhlen na 8 mm
Šířka ojničního oka pístního čepu:
Šířka ojničního oka pístního čepu obvykle volena jako 1,2 ÷1,5 násobek vnějšího průměru pístního čepu zvolena 1,4 násobek:
= 1,5 ∙ d= 1,4 ∙ 0,014 = 0,0196 m = 19,6 mm šířka ojničního oka pístního čepu zaokrouhlena na 20 mm
28 Pevnostní kontrola pístního čepu:
• Na ohyb:
průřezový modul pístního čepu v ohybu:
W =,[h ∙ ; ^ ¡ = =,[h ∙3,3Zi3,3Zi ^3,33t = 2,41 ∙ 10^]m, = 241 mm,
maximální zatěžující síla - tlak působící na válec zpravidla navýšen na hodnotu 1,03 ÷ 1,08 násobku maximálního tlaku zvolen 1,08 násobek:
}`¢ = h∙i~∙ 1,08 ∙ p£ = h∙3,3Z[4i ~∙ 1,08 ∙ 30 ∙ 10 = F|VG
maximální ohybový moment:
M¤ =¥¤[ ∙ ;[X−¦i= =,\][ ∙ ;3,3,[ −3,3[3i = = 25,8 Nm l = Č©[ >= 3,34©3,3[[[ = 0,036 m
Obr. 8 Kontrola pístního čepu [12]
29 napětí v ohybu:
σ= ª¬«¤
« ≤ σ, kde σ= 140 MPa (materiál pístního čepu: 12 020.1)
®¯ = [,iZ∙Z3[4,t?° = 1,07 ∙ 10t Pa = PNV ± vyhovuje
• Kontrola na otlačení v ojničním oku:
pZ =¥¤
∙¦ ≤ p>, kde p> = 30 MPa
P =3,3Zi∙3,3[3,\] = 14,2 ∙ 10 Pa = P6, _ ± vyhovuje
• Kontrola na otlačení v okách pístu:
p[ = (¥¤
Č^³>)∙¦≤ p~, kde p~ = 20MPa
p[ = (3,34^3,3[[)∙3,3[,\] = 7,1 ∙ 10 Pa = V, P ± vyhovuje
Obr. 9 Sestava pracovního a vodicího pístu kompresoru
30 Délka ojnice:
U kompresorů je délka ojnice obvykle 3,5 ÷ 4,5 násobek poloměru kliky zvolen 4,5 násobek:
¯ = 4,5 ∙ r = 4,5 ∙ 0,02 = 0,09 m = |N ``
Rozměry dříku ojnice:
Zvolen dřík ojnice tvaru H. Poměr šířky dříku ojnice B a výšky dříku ojnice H by se v průřezu ve středu ojnice měl pohybovat v rozmezí hodnot 1,5 ÷ 2 zvolena šířka dříku ojnice B = 0,02 m = 20 mm, výška dříku ojnice H = 0,013 m = 13 mm.
µ
¶=3,3Z,3,3[ = 1,54 vyhovuje
Dále byla zvolena šířka profilu dříku ojnice b = 0,003 m = 3 mm a výška profilu dříku ojnice h = 0,004 m = 4 mm.
Obr. 10 Zjednodušený tvar dříku ojnice (bez rádiusů)
31 Kontrola dříku ojnice z hlediska vzpěrné pevnosti:
Plocha dříku ojnice:
S = B ∙ H − (H − h) ∙ (B − 2 ∙ b)
S = 0,02 ∙ 0,013 − (0,013 − 0,004) ∙ (0,02 − 2 ∙ 0,003) S = 1,34 ∙ 10^i m[ = 134 mm[
Kvadratický moment průřezu k ose x:
J»= Z[Z ∙ (B − 2 ∙ b) ∙ h,+Z[Z ∙ 2 ∙ b ∙ H,
J»= Z[Z ∙ (0,02 − 2 ∙ 0,003) ∙ 0,004,+Z[Z ∙ 2 ∙ 0,003 ∙ 0,013, J»= 1,173 ∙ 10^\ mi = 1173 mmi
Kvadratický moment průřezu k ose y:
J¼ =Z[Z ∙ H ∙ B,−Z[Z ∙ (H − h) ∙ (B − 2 ∙ b),
J¼ =Z[Z ∙ 0,013 ∙ 0,02,−Z[Z ∙ (0,013 − 0,004) ∙ (0,02 − 2 ∙ 0,003), J¼ = 6,609 ∙ 10^\ mi = 6609 mmi
Štíhlostní poměr ojnice v rovině kolmé na rovinu kyvu:
λ» =[«∙ l¾ ¤ = 3,3\[ ∙ lZ,Z],∙Z3Z,,i∙Z3? ?¿ = 15,2 Štíhlostní poměr ojnice v rovině kyvu:
λ¼ = l∙ l¾ À= 0,09 ∙ l,3\∙Z3Z,,i∙Z3? ?¿ = 12,8
32
Pokud λx,y < 60, provádíme kontrolu dříku ojnice na prostý tlak:
σ= ¥¤ ≤ σ, kde σ = Z4∙ R
materiál ojnice: 12050.1 (Rm = 530 MPa) σ =Z4∙ 530 = 106 MPa
®S =Z,,i∙Z3,\]? = 2,97 ∙ 10] = _|, V ± vyhovuje
Obr. 11 Ojnice kompresoru
Návrh klikové hřídele:
Krouticí moment přenášený klikovou hřídelí:
M= [∙h∙<@
ÂÃ= [∙h∙,333> ~E
ÂÃ = 20,1 Nm Minimální průměr hřídele:
materiál klikové hřídele: 12060.1 (Re = 345 MPa)
τ= 3,4]∙Å X= 3,4]∙,i4[ = 98,3 MPa
33 dÆ8 = ls Z∙ªh∙ÇÈ= lh∙\t,,∙Z3Z∙[3,ZÂ
s = 10,1 ∙ 10^, m = 10,1 mm
zvolen průměr hřídele dh = 30 mm
Délka pera:
pro průměr hřídele 22 ÷ 30 mm: t1 = 2,9 mm, pro ocelový neposuvný náboj: pd = 120 MPa
l0¡@ =>[∙ª∙0r∙É= 3,33[\∙Z[3∙Z3[∙[3,ZÂ∙3,3Z= 7,22 ∙ 10^, m = 7,22 mm
zvolena normalizovaná délka pera lp = 20 mm
Návrh ložisek:
Vybraná ložiska:
pro místo A vybráno ložisko: 6209 ČSN 02 4630 pro místo B vybráno ložisko: NU 2211 ČSN 02 4670
Výpočet reakcí:
Obr. 12 Výpočet reakcí v ložiscích klikové hřídele
radiální síla zatěžující ložiska je kvůli rázům 1,2 ÷ 1,5 krát vyšší než Fmax
zvoleno 1,2 F = 1,2 ∙ F»= 1,2 ∙ 3976 = 4771 N a = 0,125 m = 125 mm, b = 0,05 m = 50 mm
RË+ Rµ = F
34 RË∙ a + F∙ b = 0
RË = −¥W∙¦= −i]]Z∙3,343,Z[4 = − 1908 N
Rµ = F− RË= 4771 − (−1908) = 6679 N
Kontrola ložisek z hlediska trvanlivosti:
Trvanlivost ložisek obvykle u kompresorů vyžadována v rozmezí 5000 ÷ 30 000 h
zvolena požadovaná trvanlivost LÌZ3= 20 000 h.
ložisko A: C = 25 000 N, P = RA, n = 1425 min-1, p = 3
zPN= ;Í=0∙3∙8Z3Â = ;[4333Z\3t=,∙3∙Zi[4Z3Â = _GFPN vyhovuje
ložisko B: C = 65 500 N, P = RB, n = 1425 min-1, p = Z3, zPN= ;Í=0∙3∙8Z3Â = ;4433]\=
>Ã
s ∙3∙Zi[4Z3Â = _FGP_ vyhovuje
3.3 PŘÍSLUŠENSTVÍ KOMPRESORU
Pro správný chod kompresoru je třeba 1 l oleje, který nereaguje se zemním plynem jako např. olej Synthetic Coltri Oil CE 750 [13]. Aby bylo možné mazat pracovní píst, jsou ve vodicím pístu vyvrtány čtyři malé otvory, kterými se olej dostane i k pracovnímu pístu. Pokud dojde ke snížení původního objemu oleje o čtvrtinu tj. na 750 ml, hrozí, že kompresor nebude mazán a je nutné olej doplnit. Z tohoto důvodu je v kompresoru instalován hladinový limitní spínač [14], který v případě, že není zatopen (hladina oleje se dostala pod stanovené minimum), vyšle signál a tím zakáže start kompresoru.
Obr. 13 Hladinový limitní spínač [14]
35
V kompresoru je taktéž zabudován klasický olejoznak, který slouží k vizuální kontrole výšky hladiny oleje, možnosti zjištění periody dolévání oleje, ale můžeme ho využít i k rychlému zjištění poruchy hladinového limitního spínače, v případě, že by nesprávně zakázal start kompresoru. V kompresoru je dále zabudován i ohřívač oleje o výkonu 75 W [15] pro předehřev oleje v případech startů kompresoru za nízkých teplot.
Obr. 14 Ohřívač oleje [15]
Pro případ, že by došlo k úniku zemního plynu z pracovního prostoru do klikové skříně, je kompresor vybaven pojistným ventilem [16], který v případě potřeby plyn z těchto míst odpustí. Pojistný ventil je nastaven na 1,7 MPa, přičemž nežádoucí plyn je z pojistného ventilu odveden na střechu plnicího zařízení.
3.4 NAVRŽENÝ KOMPRESOR
Obr. 15 Navržený kompresor
36
3.5 NÁVRH PLNICÍHO ZAŘÍZENÍ CNG
Jako místo vhodné k vybudování plnicího zařízení CNG vybrala plynárenská společnost objekt na trase plynovodu (tlak minimálně 5,5 MPa) v obci Počedělice v okrese Louny.
Z údajů o předpokládaném počtu tankujících vozidel v tomto objektu a jejich spotřebě pohonných hmot, jež byla přepočtena na spotřebu zemního plynu, byla vypočtena denní kapacita plnicího zařízení, která činí 305 Nm3/den. Při výkonu 16 Nm3/h tak musí kompresor tohoto plnicího zařízení pracovat denně přibližně 19,1 hodiny.
Dalším z požadavků na toto plnicí zařízení bylo vybavení tlakovými lahvemi pro možnost rychlého plnění vozidel. Objem tlakových lahví pro uchování stlačeného zemního plynu byl vypočten z denní kapacity plnicího zařízení a předpokládaného časového rozvrhu plnění nádrží vozidel plynárenské společnosti během pracovních dnů. Pro všechny dny od pondělí do pátku se předpokládal stejný časový rozvrh.
čas podíl denní kapacity
plnicího zařízení čas podíl denní kapacity plnicího zařízení
7:00 – 8:00 10 % 11:00 – 12:00 10 %
8:00 – 9:00 20 % 12:00 – 13:00 10 %
9:00 – 10:00 20 % 13:00 – 14:00 10 %
10:00 – 11:00 20 %
Tab. 5 Časový rozvrh plnění vozidel plynárenské společnosti stlačeným zemním plynem
Pomocí výpočtového programu [17] byl stanoven celkový objem tlakových lahví pro uspokojení požadavků na plnicí zařízení CNG v Počedělicích 1020 l. Plnicí zařízení tak obsahuje 12 tlakových ocelových lahví o objemu 85 l, vnějším průměru 267 mm a pracovním tlaku 30 MPa [18], které jsou uspořádány do třech sekcí s různým tlakem stlačeného zemního plynu.
Dále je plnicí zařízení CNG vybaveno zařízením pro sušení zemního plynu a odfukovým potrubím, který je vyvedeno na střechu. Správné větrání buňky je zajištěno pomocí několika větracích otvorů. Vnější technologické prvky plnicího zařízení jsou chráněny před zásahem blesku hromosvodem, samotná železobetonová buňka funguje jako Faradayova klec. Pro plnění nádrží vozidel je potom zařízení vybaveno plnicí rychlospojkou typu NGV1, která se používá pro vozidla do 3,5 t.
37
Základní rozměry plnicího zařízení zemního plynu bez stříšky pro ochranu vnější technologie před deštěm jsou: šířka 2,5 m, délka 3,0 m a výška 2,5 m (bez hromosvodu).
Schéma plnicího zařízení včetně vyznačených nebezpečných zón je přílohou číslo 2 této diplomové práce. Nebezpečná zóna 1 zahrnuje prostory, v nichž je třeba počítat s tím, že se výbušná atmosféra z plynů vyskytne příležitostně, nebezpečná zóna 2 potom zahrnuje prostory, v nichž není třeba počítat s tím, že se výbušná atmosféra z plynů vyskytne, ale pokud se přece jen vyskytne, pak s největší pravděpodobností pouze zřídka a během krátké doby [19].
Obr. 16 Schéma plnicího zařízení CNG
38
4 NÁHRADA VOZOVÉHO PARKU
4.1 SÉRIOVĚ VYRÁBĚNÁ VOZIDLA POHÁNĚNÁ CNG DOSTUPNÁ NA Č ESKÉM TRHU
K březnu 2015 bylo na českém trhu k dispozici celkem 23 modelů od 8 různých výrobců sériově vyráběných vozidel do 3,5 tuny poháněných stlačeným zemním plynem.
Největším výrobcem vozidel na CNG je italský Fiat, který na českém trhu nabízí 9 druhů vozidel různých velikostí. Následující tabulky obsahují několik základních parametrů sériově vyráběných vozidel na CNG, které je možné porovnat s parametry stejných vozidel s benzínovým či naftovým motorem. Pro porovnání jsem se snažil vybrat vozidla podobných výkonů a podobných výbav, tak, aby bylo srovnání co možná nejobjektivnější, i když ne ve všech případech toto bylo možné splnit.
AUDI:
AUDI A3 benzínový motor naftový motor CNG
motor 1.4 TFSI (90 kW) 1.6 TDI (77 kW) 1.4 TFSI (83 kW)
maximální výkon/otáčky 90 kW/5000 – 6000 min-1 77 kW/3000 – 4000 min-1 81 kW/4800 – 6000 min-1 maximální točivý moment/otáčky 200 Nm/1400 – 4000 min-1 250 Nm/1500 – 2750 min-1 200 Nm/1500 – 3500 min-1
kombinovaná spotřeba 5,3 l/100 km 3,8 l/100 km benzín 5,2 l/100 km,
CNG 3,3 kg/100 km
kapacita nádrže 50 l 50 l benzin 50 l, CNG 14 kg
emisní třída EURO 5 EURO 5 EURO 6
emise CO2 123 g/km 99 g/km benzín 120 g/km,
CNG 92 g/km
dojezd 900 km 1310 km 1300 km (benzin 900 km,
CNG 400 km)
cena (s DPH) 604 900 Kč 644 900 Kč 682 900 Kč
Tab. 6 Porovnání benzínové, naftové a CNG varianty vozidla Audi A3 [20]
Obr. 17 Audi A3 Sportback g-tron [20]
39 FIAT:
FIAT 500 L CNG
(k dispozici i ve verzi Living) benzínový motor naftový motor CNG
motor 0.9 TwinAir 105 k 1.3 MultiJet 85 k 0.9 TwinAir 80 k CNG
maximální výkon/otáčky 77 kW/5500 min-1 62 kW/3500 min-1 59 kW/5500 min-1 maximální točivý moment/otáčky 145 Nm/2000 min-1 200 Nm/1500 min-1 140 Nm/2500 min-1
kombinovaná spotřeba 4,8 l/100 km 4,2 l/100 km benzín 5,9 l/100 km,
CNG 3,9 kg/100 km
kapacita nádrže 50 l 50 l benzín 50 l, CNG 14 kg
emisní třída EURO 6 EURO 5+ EURO 6
emise CO2 112 g/km 110 g/km 105 g/km
dojezd 1040 km 1190 km 1207 km (benzín 848 km,
CNG 359 km)
cena (s DPH) 439 300 Kč 480 300 Kč 463 300 Kč
Tab. 7 Porovnání benzínové, naftové a CNG varianty vozidla Fiat 5OO L [21]
FIAT DOBLO PANORAMA benzínový motor naftový motor CNG
motor 1.4 T-Jet 120 k 1.6 MultiJet 105 k 1.4 T-Jet CNG 120 k
maximální výkon/otáčky 88 kW/6000 min-1 77 kW/4000 min-1 88 kW/5000 min-1 maximální točivý moment/otáčky 206Nm/2000 min-1 290 Nm/1500 min-1 206 Nm/2000 min-1
kombinovaná spotřeba 7,2 l/100 km 5,2 l/100 km benzín 7,4 l/100 km,
CNG 4,9 kg/100 km
kapacita nádrže 60 l 60 l benzín 22 l, CNG 16,2 kg
emisní třída EURO 6 EURO 5+ EURO 6
emise CO2 169 g/km 138 g/km benzín 173 g/km, CNG 134 g/km
dojezd 830 km 1150 km 628 km (benzín 297 km,
CNG 331 km)
cena (s DPH) 443 000 Kč 484 000 Kč 554 000 Kč
Tab. 8 Porovnání benzínové, naftové a CNG varianty vozidla Fiat Doblo Panorama [21]
Obr. 18 Fiat 500 L CNG, Fiat Doblo Panorama CNG [21]
